李德仁院士：论军民深度融合的通导遥一体化空天信息实时智能服务系统
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习近平总书记指示我们，要推动空间科学、空间技术和空间应用的全面发展，需抓好应用以促进空间科技发展，同时按照体现国家意志、实现国家使命、代表国家水平的定位，产出一批原创性、战略性、集成性的成果，把我国从航天大国发展成为航天强国。
本文将从背景与意义、目标与内容、关键技术和相关基础这 4 个方面，来介绍通导遥一体化系统。
一、背景与意义
国家要保证战略安全，必须掌握制信息权，其中包括制空权、制海权和制天权。美国已经实现在全球范围内 2 小时打击目标的能力。我国的信息安全与美国相比是有差距的，我们按小时计时，而美国是按秒计时。在全球范围内，美国有 12 个航母编队，但是我们还无法对这些目标进行全球实时的连续跟踪，对某些固定目标也无法实现实时变化监测。在这种条件背景下，很难实现我国军队在全球“能打仗、打胜仗”的目标。
我国的应急救援信息系统，从 2008 年汶川地震需要 36 个小时才能找到震源位置，到 2017 年九寨沟地震的 4 个小时，仍未达到快速准确的要求，说明我们需要一个天基实时智能服务系统。当前，我们的卫星遥感还没有让人民群众真正在手机上用起来，这是我们面临且急需解决的一个问题。我国天基信息商业化格局的不足之处如图 1 所示。
图1 我国天基信息商业化格局的不足之处
近年来，全世界都把通导遥卫星的大众服务作为一个竞争热点，尤其是美国，他们在研究低轨通信卫星，扬言要发射成百上千颗卫星用来全球通信。特别是比尔盖茨与孙正义两人共同开发的 500 个遥感卫星项目（EarthNow），可以随时看到地球上任何一个地区的图像。但是，在全世界还没有任何一个国家能够在真正意义上形成通导遥一体化的系统。所以，从现在起一直到 2025 年，我们需要抓紧推进该系统，使我国从航天大国迈向航天强国。
目前我国还有很多不足的地方，例如现有的通信、导航、遥感卫星系统这三者各成体系，所以当我们海军在海上执行任务时，卫星获得的图像传到中国来，再按步骤分级处理，需要数小时，远远不能满足快速响应的要求。可以看出，通导遥卫星一体化及与人工智能在轨处理的集成是当前急需解决的问题。
二、目标与内容
（一）思路构想与功能设计
PNTRC 空间信息网络，P 是定位，N 是导航，T 是时间，R 是遥感，C 是通信，具体含义如图 2 所示。利用五位一体做成通导遥信息网络，实现天地网络融合，实现在军民智能手机上的智能服务。
图2 PNTRC的具体含义示意图
（二）发展目标
通过构建 PNTRC，天基信息实时服务系统可以实现卫星遥感、卫星导航、卫星通信与地面互联网的集成服务，支持军民用户在任何地方、任何时候的信息获取、高精度定位授时与多媒体通信服务。其中，遥感信息精度从空间分辨率和时间分辨率上要分别达到分米级和分钟级的水平。
（三）重大意义
建设空天信息实时智能服务系统可以落实军民深度融合略，支持我军在全球“能打仗，打胜仗”的目标，占领天基信服务这一新兴领域的战略制高点，推动我国卫星遥感、通信、导航等相关的集成创新发展，带动形成互联网与天基信息大众化实时服务的新型产业。
（四）发展路线
PNTRC 的发展可分为“两步走”路线：第一步，通过多星协同观测与传输，提升天基信息对应急响应的服务能力；第二步，多网融合、智能服务，满足天地网络的融合与一体化的协同传输。基于通信卫星的遥感数据实时传输如图 3 所示。
图3 基于通信卫星的遥感数据实时传输
（五）建设建议
在军民深度融合方面，我们需要按照“军民深度融合”的要求规划布局，平时为我国和全球专业用户及大众用户提供服务，战时可支撑我军的全球作战需要。
在市场主导方面，我们需要充分发挥市场的主体作用，广泛吸纳社会资金（包括民营资本）共同投入，走商业化、市场化运营道路。
在国家支持方面，建议采取“后补助”和购买服务，其中重点关键技术可享受国家投入专项资金，组织国内优势研究力量展开协同攻关。
（六）市场化前景
在兼顾传统非实时、专业用户基础上，PNTRC 系统主要瞄准天基信息“增量”用户，主要包括：
（1）实时专业用户。突破单纯定期提供数据的服务模式，按需向军民用户提供实时天基信息服务，包括城市交通监控、精准农业、目标持续监控、港口吞吐量监控、物流监控、实时态势感知、露天矿作业管理、智慧城市管理等，从而将空天实时信息变成智慧产业的组成部分。
（2）大众用户。主要以移动终端为载体，提供定制化、实时化的天基信息增值服务，包括基于实时遥感（视频）数据的位置服务、实时高精度导航（如车道级导航）服务等，真正提供全球 70 亿人的互联网+空天信息服务。
（七）产业化前景
建设军民深度融合的天基信息实时服务系统，将为卫星应用产业的发展注入新的活力，我国卫星遥感、卫星通信、卫星导航等产业将迎来新一轮的发展机遇。除增强遥感、通信、导航功能外，通过卫星遥感、通信与导航技术的集成创新，带动以实时位置服务为代表的天基信息增值服务产业的发展，如新型天基信息服务移动终端与软件（包括手机 APP 等）、卫星多媒体通信服务、实时精密导航定位服务等。
三、关键技术
（一）星基导航增强技术
利用低轨卫星上搭载星载 GNSS 接收机连续观测记录，结合激光测距等手段和现有地基增强系统，提高北斗卫星导航系统的实时定位精度，主要需突破：基于低轨卫星观测值的导航卫星星历和钟差改正，联合低轨卫星 / 导航卫星信号的精密单点定位技术，低轨卫星和导航卫星的联合定轨，星间激光测距与导航数据联合平差，低轨导航星座优化设计等。
（二）天地一体化网络通信技术
为满足多源影像（视频）信息传输、增强导航以及地面移动通信需求，需要通过天网、地网的互联互通，构建天地一体化的通信网络，主要突破：多层次天基网络的广域覆盖，业务驱动的空间通信与按需接入，天地网络融合互联与无缝切换，高动态环境下网络自动路由与寻址，天地一体化网络服务应用体系框架与支撑管理技术等。
（三）多源成像数据在轨处理技术
针对卫星影像（视频）数据量大，星上数据存储、处理与传输能力受限的问题，通过星地资源协同调度与优化，提升数据处理和信息提取效率，主要需突破：影像（视频）实时校正与几何定位，影像典型目标在轨智能检测，视频数据典型（运动）目标提取，影像（视频）在轨数据智能压缩，星上通用数据处理平台、架构与软件。
（四）天基信息智能终端服务技术
系统除向专业用户（行业、部门）提供服务外，还需向军民移动终端提供定制化的智能天基信息服务，需要突破：面向星地通信网络的 LBS 服务，移动终端多模定位技术，新型天基增强导航芯片及核心原件制造，消费级卫星通信终端（如手机卫星通信外壳），基于星地通信网络的移动 APP 等。
（五）天基资源调度与网络安全
系统通过对卫星资源的动态组织调度，可实现卫星资源组织面向任务快速应变。同时，由于空间网络的开放特性，系统通信链路容易受到宇宙射线、电磁信号干扰，甚至恶意破坏，需突破：多任务条件下卫星资源组织模型的求解算法、适应任务和资源变化的资源快速重组技术，卫星资源动态组织仿真验证和评价、卫星网络可靠性理论与网络安全体系构架，卫星网络抗毁安全路由与网络自愈技术等。
（六）多载荷集成的一体化卫星平台
为实现“多用、多星组网”，系统中的卫星平台需要集成不同类型的有效载荷，满足用户增强导航、影像（视频）获取、移动通信等多种需求，需突破：基于多载荷的卫星平台一体化设计，“一星多用、多星组网”的软件卫星技术，卫星多类型载荷配置与协同布局，多载荷卫星平台小型化技术，多星协同储存与信息处理等。
（七）空天地一体化的非线性地球参考框架构建
系统利用装载有 GNSS 接收机的高中低轨卫星、地面或星间可跟踪的高中低轨卫星，通过静态的地面跟踪站和动态的卫星与天体来共同建立和维持我国自主的全球时空基准，需突破：综合多源观测技术建立全球统一历元地球参考框架的理论和方法，非线性地球参考框架所涉及的地球构造、非构造影响因素时变特征分析，全球动态地球框架非线性运动预测模型建立的理论方法与实现技术等。
四、相关基础
通过实施“高分”“二代导航”，我国在卫星导航定位、高分辨率卫星遥感对地观测等方面取得了一批具有国际竞争力的技术成果，为本项目启动提供了良好的技术基础。
（1） 2006—2010 年，武汉大学牵头实施了我国卫星应用领域首个国防“973”项目，解决了航天信息支持战术应用中的卫星资源按需组织、复杂对抗条件下的信息传输和面向任务的航天信息聚焦服务等理论问题。
（2）目前，我国自主遥感卫星分辨率已达亚米级，北斗系统已实现亚太区域覆盖，地面增强系统实时定位精度达米级。
（3）2014 年，清华大学成功研制发射了灵巧通信试验小卫星，实现了低轨卫星地面移动通信。
（4）2016 年，武汉大学已启动“珞珈一号”系列科学试验卫星研制工作，研究通过低轨卫星组网增强北斗系统定位精度，已于 2018 年发射首颗卫星。天基信息实时服务演示卫星和多角度 SAR 卫星将于明后年发射，如图 4 所示。
图4 天基信息实时服务演示卫星
五、结束语
从当前国家需求和国际高科技发展形势来看，我们的通、导、遥卫星比美国人发射得晚，这是历史。但是，当前全世界尚未形成一个通导遥一体化的天基信息实时智能服务系统，我们应该抓住机遇，群力攻关，作出原创性的科技创新，在卫星应用方面走到世界的前面去。
本文转载自“《军民两用技术与产品》2018年8月上”，原标题《论军民深度融合的通导遥一体化空天信息实时智能服务系统》，作者 | 李德仁（中国科学院院士、中国工程院院士、武汉大学教授 ）
来源：卫星与网络微信公众号（ID：satnetdy）（版权归原作者及刊载媒体所有）
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编辑 / 郭梅 审核 /盛兆阳 王怡波
指导：万剑华教授(微信号wjh18266613129)